摘 要

天然气可被称为具有发展前途的清洁气体燃料,甲烷占天然气的85%-99%，他具有的优点有作为价格低、排放小、储量大还有不需要加工这些特性。但是,天然气也有一些缺点,天然气与汽油相比可知其燃烧速度慢。但是,与其他的燃料比拟,氢气有很高的火焰传播速度，氢气的层流燃烧速率是汽油和天然气的7倍。因此，用天然气中掺入氢气来改善燃烧速度。

为了使甲烷-氢气混合物燃料更好的的燃烧,因此有必要研究其预混燃烧特性,如层流燃烧速度、火焰不稳定性等方面的分析,还有甲烷-氢气燃烧的化学动力学机理研究等。本毕业设计研究甲烷-氢气混合物一维平面火焰模拟，应用CHEMKIN软件模拟实验数据,运用CHEMKIN软件时需要根据实验数据，运用GRI-mech、USC-mech、San Diego-Mech三种化学动力学机理分别模拟实验数据，模拟选出最适宜的化学动力学机理，再运用此化学机理进行甲烷–氢气混合物的一维稳态平面火焰数值模拟，分析初始条件当量比、压力、温度对甲烷–氢气预混层流燃烧特性的影响规律。在掺H₂量改变时对CH₄-H₂的化学动力学特性进行分析，火焰厚度、火焰结构中各稳定组分浓度、火焰放热率变化及其峰值变化,还有层流燃烧速度的敏感性分析。

关键词：甲烷-氢气混合物；预混层流燃烧；一维平面火焰模拟；化学动力学

Abstract

Gas prospects can be called with clean gas fuel, 85% to 99% of natural gas, methane he has as has the advantages of low price, low emissions, large reserves and do not need to processing these features.Also has some disadvantages but, natural gas, natural gas and gasoline is compared the burning speed is slow.However, compared with other fuels, hydrogen has a high flame propagation speed, the laminar burning velocity of hydrogen is 7 times the amount of oil and gas.Therefore, by adding hydrogen gas to improve the combustion rate.

In order to make better combustion of methane - hydrogen mixture fuel, so it is necessary to study the premixed combustion characteristics, such as the laminar burning velocity and flame instability analysis, and chemical kinetics mechanism of methane - hydrogen combustion research, etc.Methane - hydrogen mixture are studied in this graduation design a d flat flame simulation, application software CHEMKIN simulation experiment data, the need when using CHEMKIN software according to the experimental data, the use of GRI mech at USC - mech, San Diego - mech at three kinds of chemical kinetics mechanism of simulated experiment data, the chemical kinetics mechanism of simulation to select the most appropriate, then using the chemical mechanism of methane - hydrogen mixture of one dimension numerical simulation of the steady state plane flame equivalent ratio, pressure and temperature on the analysis of the initial conditions the influence law of methane - hydrogen premixed laminar combustion characteristic.When mixed H₂ amount change of CH₄ - H₂ analysis of the characteristics of chemical kinetics, the flame thickness and flame structure in the stable component concentration changes, fire heat release rate and its peak, and the sensitivity of the laminar burning velocity analysis.

Key words：methane-hydrogen mixture；premixed laminar flow combustion；one-dimensional planar flame simulation；chemical kinetics

目 录

摘 要 1

Abstract 3

第一章 绪论 5

1.1 研究背景 5

1.2甲烷与氢气概述 6

1.3 国内外研究现状及本文研究意义 8

第二章 甲烷–氢气燃烧的化学动力学机理研究 9

2.1 CHEMKIN模拟工具分析 9

2.1.1 CHEMKIN简介 9

2.1.2化学动力学机理的选取和应用 11

第三章 甲烷-氢气预混层流燃烧特性模拟研究 18

3.1初始条件对层流燃烧速度的影响 18

3.1.1初始压力对氢气、甲烷和甲烷-氢气混合物层流燃烧速度的影响 18

3.1.2 初始温度对氢气、甲烷和甲烷-氢气混合物层流燃烧特性的影响 20

3.1.3 当量比对氢气、甲烷和甲烷-氢气混合物层流燃烧特性的影响 22

3.2 甲烷-氢气预混层流燃烧的化学动力学特性分析 23

3.2.1火焰结构分析 23

3.2.2 放热率分析 25

第四章 结论与展望 25

4.1结论 25

4.2展望 26

致 谢 27

参考文献 27

一.绪论

1.1 研究背景

在人类为解决能源和污染这两个全球性问题而展开的一系列深入研究中，实 现能源的高效低污染应用已为各国政府以及专业人士所极力倡导。全球能源危机 与环境污染是关系到人类社会可持续发展的重大难题，而该发展难题的出现又与 燃烧能源领域工业的发展密切相关。20世纪50年代后，石油危机的爆发对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注起世纪―能源危机问题。根据美国能源信息署（EIA）最新结果,到2035年,世界能源消耗预计会增加近 50%。据估计，全球石油开采可供 40 年,天然气约为60年，煤炭的存储最多可供200年。根据《BP 2030 能源展望》，从2010年到2030年,世界一次能源需求年增长率为 1.7%,非组合组织国家能源消费到2030年将增长至68%,年均增速为2.6%，占全球能源增长的 93%，相对而言，组合组织国家到2030年的年均增速为0.3%,图1所示为世界能源消费与燃料结构预测，由图可以看出世界商用能源的使用量到2030年都将一直呈上升趋势，而天然气对总能源增长的贡献将占据越来越大的比例。煤炭，是由的贡献比例将会有一定程度的减小。

和世界各国相比,我国人口众多，能量资源匮乏，已探明，我国煤炭储量在 世界的11%,原油占2.4%，天然气仅占1.2%。我国的能源需求大，占全球的十分之一，根据国家统计局发布的数据报告，1978 年，我国煤炭、石油和天然气分别 占能源消耗总量的70.7%、22.7%和3.2%，而到2011年，煤炭、石油和天然气分 别占能源消耗总量的68.4%、18.6%和5.0%，能量需求整整增长了6倍之多。而又 据最新报道,中国去年一次能源总消耗约占全球能源总消耗的23%！据预测，中国未来能源供需的缺口将越来越大,预计到2040年将缺能24%左右。

自工业革命以后，人类对煤炭、石油,天然气等多种能源的掠夺性开采，在带来巨大经济发展的同时，也给生态环境带来了无可挽回的影响。化石燃料开采与利用所产生的排放性污染与直接导致温室效应、臭氧层变薄、酸雨的产生以及 生态失衡等毁灭性的环境问题。近几十年来，随着城市工业飞速发展，全球大气污染非常严重。大气污染的 主要污染物有二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和粉尘。大气污染直接导致对地球和人类生存最为迫切也最为严重的威胁因素之一，全球气候变暖。据相关数据显示,在过去的一个世纪里，全球表面平均温度已经上升了 0.3~0.6℃ ,全球海平面上升了 10~25cm。目前地球大气中的二氧化碳浓度已由工业革命（1750 年）之前的280ppm增加到了近360ppm。据估计，到 21 世纪中叶，大气中的二氧化碳浓度 将达到560ppm，全球平均温度可能上升1.8~4℃。

臭氧层受到了严重的破坏和损耗，自1985年以来，臭氧层一直都在受到不断 地破坏与损耗。据相关数据，早在1994年，南极上空臭氧层破坏面积就已经达到了2400万平方公里。如今中国、美国、西欧、日本、加拿大等多国上空，都开始出现了臭氧层变薄的现象。尽管人类对消耗与破坏臭氧层的物质（ODS）的排放实行了一定程度的控制，但由于ODS非常稳定,大部ODS目前仍留在大气层中，陆续与臭氧层发生反应，分解臭氧分子。

酸雨的产生也是一个非常严重的问题，酸雨使得水体和土壤酸化，造成世界 最严重的环境与社会经济问题。水体酸化会改变水生生态系统，水下生物的繁殖 和生育受到严重的影响。土壤酸化会使土壤贫瘠化，导致陆地生态系统的退化。 酸雨还会导致森林面积减少，建筑物材料和金属结构的腐蚀。酸雨主要来源于人 类使用化石燃料向大气中大量排放的二氧化硫和氮氧化物。欧洲，美国和加拿大 东部均是世界上的大酸雨区。亚洲的酸雨主要集中在东亚，其中中国南方是酸雨 最严重的地区，成为世界上又一大酸雨区。

此外，人类无休止的大量排放工业废水、固体废物。使得全世界面临水资源 危机，土地荒漠化，世界银行的报告估计，由于水污染和缺少供水设施，全世界 有10亿多人口无法得到安全的饮用水。亚洲是世界上受荒漠化影响的人口分布最集中的地区，遭受荒漠化影响最严重的国家依次是中国、阿富汗、蒙古、巴基斯 坦和印度。

因此,为了应对能源危机和环境污染这两大问题，清洁能源的开发利用成为 了发展的重要课题。清洁能源包括不产生污染物的再生能源和低污染的能源[2]，不 产生污染物的再生能源消耗后可以得到恢复补充，可是再生能源的开发利用仍存 在一定的局限性。而低污染，如核能、天然气、生物质能和利用洁净能源技术处理的化石燃料，虽然会对环境产生一定的危害，但在世界能源需求中仍将占据主导地位，因此，低污染能源的开发利用对解决世界能源危机仍具有极其重要的现实意义。

2014 年剑桥能源周研讨会与会专家们表明，世界能源需求未来将不断增长， 今后几十年，世界能源格局也将发生深刻变化，但以化石燃料为代表的传统能源 仍将占主导地位，而清洁能源将发挥越来越重要的作用。矿业巨头必和必拓集团 首席执行官安德鲁·麦肯锡认为，到2030年,世界能源需求的 70％仍将依赖传统 的石油、天然气和煤炭。天然气将可望通过在电力及交通领域的广泛使用而呈现 最强劲的增长势头。美国埃克森美孚公司在研讨会上提供的数据表明，在 2025 年 之前，天然气可望超过煤炭，成为仅次于石油的全球第二大能源资源。因此本文 对第二清洁能源-天然气的主要成分甲烷，在氢气稀释条件下的火焰燃烧特性及相应火焰动力学机理展开了一系列研究。

燃烧基础研究是实现大到石化行业、汽车行业，小到发动机、燃气内燃机等 燃气能源利用行业高效低污染燃烧的关键措施。为应对和解决石油资源紧缺、 一氧化碳、氮氧化物及碳氢化物等污染气体排放，城市大气质量下降、全球气候 变暖以及国家过渡依赖进口石油等重大有关可持续发展的问题，世界各国政府广 泛极力支持新型能源及替代能源的开发研究。近年来，人们越来越关注气体能源 燃料的开发研究，生物质燃料、气体燃料、液体燃料以及各种燃料添加物质在工 业上的应用研究逐步得到推广。

目前广泛认可的气体能源燃料主要有压缩天然气（CNG，主要成分为甲烷 CH4）、液化石油气（主要成分是丙烷 C3H8和丁烷 C4H10）、氢气（H2）、燃烧乙 醇、生物柴油、煤气（主要成分是一氧化碳 CO 与氢气 H2）等。总结目前能源利 用现状及数十年来燃烧能源领域的研究成果，天然气已成为了工业应用最为普遍 的液体燃料之一，而国内常规油气的开发已经不能满足经济发展的需要；纯氢燃 料的工业应用研究也取得了一定的突破，市场上已有产品面世，尽管纯氢由于燃 烧控制困难、存储体积大及液态存储造价高等而没有得到进一步的推广使用；煤气在能源燃烧工业中具有广阔的应用前景其作为汽车石化工业替代燃料的应用研 究早已得到燃烧研究领域的广泛重视；气体燃料替代石油燃料的研究发展策略已重庆大学硕士学位论文4在全球包括美国、意大利、加拿大等国在内的40多个国家和地区范围内展开，并 取得了一定的研究成果，据统计，燃气汽车已在世界 80 多个国家和地区得到应用和发展[2]，气体燃料替代石油燃料对解决全球能源危机具有十分重要的意义。我 国十多年来的实践表明，气体燃料在能源领域的推广应用，一定程度上缓解了我 国对石油资源的严重依赖，对缓解城市大气质量的恶化起到了一定的作用。但是 燃气能源高效低污染利用仍未根本实现，在应用中仍然一些核心问题如气体排放水平高、稀薄燃烧难以实现、气体燃料燃烧速度慢、燃烧稳定性差、燃烧控制难度较大及燃烧效率不高等亟待解决，而且，为满足更加严格的欧洲III甚至欧IV排放法规，燃气能源行业燃烧排放仍须更进一步降低。

1.2 甲烷与氢气概述

从燃料本身来说，理想替代燃料应具备燃料易得，燃烧完全，低排放，价格 低廉,便于运输和储存等优点，并且燃烧的热值还需要满足燃烧的动力学需求。 大量的研究结果表明，天然气和氢气是最理想的气体替代燃料。

甲烷是天然气的主要成分，天然气是一种多组分的混合气态化石燃料，无色 无味无毒,热值高，在 36~42MJ/N·m 3 之间。天然气是一种易燃易爆的气体，和空 气混合后，温度只要达到 823K 就会燃烧，在空气中，天然气的浓度只要达到 5%~15%，遇到火种就会爆炸。地壳中天然气的形式多种多样，它们的化学性质和 物理性质也存在着极大的差异。天然气主要成分是甲烷（CH4），占 80%以上，另 外还有乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)和戊烷(C5H12)，非烃类含有一氧化碳 (CO)、硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)以及微量的稀有气体，如氦气和氩气等。天然 气的随着产地不同而不同。我国天然气储量丰富，据专家预测，全国天然气资源 量为 47 亿万立方米，可探明的资源量为 22 万亿立方米，大多分布在中部和西部 地区，分别占陆上资源量的 43.2%和 39.0%。

天然气作为汽车内燃机替代燃料，以形态不同可以分为压缩天然气（CNG）， 压力一般在 20~30MPa;液化天然气（LNG），天然气液化后的标态体积为 1/625， 绝热容器压力为 0.05~0.5MPa。这两种形态的燃料发动机在我国已经开始使用，主 要应用在公共汽车和出租车上。天然气被认为是最理想的燃料之一，有以下优点：

1. 天然气资源丰富，成本低。天然气的价格比汽油低得多，使用天然气作为 燃料更加经济实惠。作为内燃机替代，暂缓了我国对石油燃料短缺的压力。
2. 作为气体燃料，能与空气均匀混合，燃烧充分，降低了污染物的排放。
3. 天然气的主要成分是甲烷（CH4）。甲烷是最简单的烷烃，H/C 比较高， 含碳量较小，燃烧时温室气体二氧化碳（CO2）排放少，同时 CO 和 HC 的排放也较低。
4. 天然气的辛烷值比汽油的高，辛烷值范围一般在 115~130之间，汽油的辛 烷值在81~89之间。因此天然气有较高的抗暴性能。
5. 安全性能高。天然气的密度比空气小，为 0.55。一旦发生泄露，可以迅速 挥发到空气中消失。而汽油不易扩散，遇到火星即刻燃烧。

但是，天然气的物理化学性质也决定了它具有一定的缺点：

1. 天然气本身也是一种温室气体，它的温室效应比二氧化碳要强20倍，未 燃烧的天然气排入空气中也会造成空气污染。
2. 天然气的主要成分甲烷（CH4），化学性质稳定，甲烷是以 4 个 C-H 键组 成，为四面体结构，C-H 键之间的键能较大，因此导致甲烷的着火温度较高，作 为内燃机燃料，必须增加点火系统，才能是气体着火燃烧。
3. 天然气随着产地的不同组成也不一样，这会对内燃机的运行和排放产生影 响，因此，控制天然气的组成很有必要，这样会加大经济成本。
4. 天然气作为气体燃料，他的润滑性能较差，对喷气系统的相关零件的磨损 比较严重。
5. 天然气的储存和运输性较差，天然气较难液化，比如压缩天然气（CNG） 一般储存在 20~30MPa 的高压气瓶内。

氢气被视为21世纪最具有潜力的清洁能源，氢气是世界上最轻的气体，无色 无味无毒，难溶于水。密度是空气的 1/4，在标准状态下，氢气的密度为 0.0899g/L。 氢气以其清洁、高效燃烧、可再生和几乎零污染排放的特点成为内燃机的理想替 代燃料。氢气作为替代能源有以下有点：

1. 资源丰富。氢在自然界中存在普遍，主要以化合物的形式存在，比如水(H20)， 烃类（CnHm）等。氢气一般是通过电解水得到。
2. 氢的燃烧性好。氢气的燃烧速率快，能提高燃烧效率；氢气的着火极限宽， 浓度范围在 4%~75%内都能燃烧，着火极限宽有利于稀燃，燃料稀燃经济性好而 且燃烧更完全，稀燃降低了燃烧温度，减少NOx的排放。
3. 氢气燃烧产物为水和少量的氮氧化物(NOx)，对环境污染小，而且产物水也可以循环利用，氢气属于低排放能源。
4. 氢气的扩散能力强，氢气的扩散系数为 0.63cm2 /s，有利于气体燃料的混合， 一旦发生泄漏，氢气可以迅速扩散，以减少不安全因素。

然而，氢气作为具有发展潜力的替代燃料，也存在一些缺点：

1. 造价昂贵。96%的氢气主要是通过煤天然气、石油等化石燃料得到，制备 过程消耗大量的蒸汽，要消耗更多的能量；4%是通过对氯化钠的电解，此法耗电 大，制备没千克 H2 耗电50~60千瓦时。
2. 氢气的活性较高，对储存要求严格。
3. 氢气在内燃机中燃烧时，容易出现早燃和回火现象。早燃指的是燃料与燃 烧室内局部温度过高的―热点‖接触引起燃烧的现象，早燃回导致发动机工作部稳定；回火是指混合气在进气管内燃烧的现象，回火会造成进气管噪声，严重时会对发动机造成损害。

因此，由于氢气与甲烷均能与空气以任意比例均匀混合，而且氢气具有很强 的扩散速率以及很强的燃烧速率，而且着火极限宽，将氢气与甲烷以一定比例混 合，能促进甲烷火焰传播速率和拓宽可燃极限，提高甲烷的燃烧效率，并且还能 降低温室气体 CO2 的排放[3-5]。本文立足于解决能源危机和环境污染重大战略问 题，采用氢气为稀燃气体，有效结合利用甲烷氢气的优点、避免相应缺点，系统 研究甲烷/空气预混气在氢气稀释条件下的火焰输运特性及其稀燃机理。拟全面获 取内燃机气体替代燃料 EGR 运行优化区域，系统建立稀燃气体高效稳燃、速燃理 论及稀燃化学动力学机理，以弥补燃烧机理优化、燃烧过程模拟、燃烧控制开发 等所需基础数据库的欠缺，并直接服务于降低有害气体排放水平的研究，为实现 高效低污染及燃烧应用提供理论支撑。

1.3 国内外研究现状及本文研究意义